1、1 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 算例31 ： 电 子 设备ESD 抗 扰 度仿真 2 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 目录 1. 概述 2. 创建仿真模型 3. 仿真结果及故障定位 4. 采取防 静电措 施 5. 结果比较 6. 总结 3 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 1 概述 4 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd |
2、 www.cst- | infocst- 采用CST 软件对 一款真 实的10M/100M 网络交 换机进 行静电 放电ESD 实 验进行仿 真预 设计 放 电 实验采 用静电 放电发 生器ETI-K402 ，交换 机 需满足GB/T17626.2- 2006 中规定的4 级抗扰 度。放 电部位 ：交换 机外部 网口插 座导电 部分。 接 触 放电电 压8kV （注意： 由于负 载不一 样，实 际的放 电电流 波形必 须 采用三维 机箱 壳体一并 仿真 ，而不能 直接 带入标准 出的 典型波形 。所 以我们这 里仿 真的是真 实全 三维仿真 。） 由 于 是对三 维实体 进行瞬 态电冲 击实验
3、 ，故采 用CST MWS-T时域电磁 场仿真求 解器 进行仿真 概 述 5 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 仿真模型 概述 本电子设备ESD 抗扰度仿真算例中使用时域求解器进行仿 真，仿真模型分为网络交换机和静电发生器两个部分 ： 6 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 参考标准 本算例中电子产品需要满足及激励信号符合的标准为 GB/T 17626.2-2006 电磁兼容 试验和测量技术 静电放电 抗扰度试验，该标准中规定了8 个静电放电
4、试验等级， 分为接触放电和空气放电两类，如下表所示： 1a 接 触 放 电 1b 空 气 放 电 等级 试 验 电压/kV 等级 试 验 电压/kV 1 2 1 2 2 4 2 4 3 6 3 8 4 8 4 15 X 1 ）特殊 X 1 ）特殊 1）“X ”是开放 等级， 该等级 必须在 专用设 备的规 范中加 以规定 ， 如果规定 了高 于表格中 的电 压，则可 能需 要专用的 试验 设备。 7 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 激励信号 本算例选择的是4 级8kV 接触放电，标准中同时规定了电压 的上升时间为0
5、.7ns-1ns ，本算例中选择1ns ： 8 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 2 创建仿真模型 9 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 仿真模型 创建电子枪模型后，整体仿真模型如下图所示： 10 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 3 仿真 结果 及故 障定位 11 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | in
6、focst- 3.1 放电回路电流 12 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 观察放电 回路上的电流 观察回路上三点处的放电电流： 13 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 回路上三 个点的电流 14 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 小结 上 仿 真结果 可以看 出，一 个串联 回路中 的3 个点，3 点处电流并不一致，充 分说明了三 者 间 有旁路RLC 支路，采
7、用纯 电路方法 难以 考 虑 这些RLC 支路， 而 采用 全 三维 电 磁场算 法则 所有RLC 支路 全部被自动 考虑进去了 。 15 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 3.2 芯片管脚电压 16 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 芯片U2 LINK1 管脚 上的 感应电压 17 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 芯片U2 SPEED1管脚上的感应电压 18
8、算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 芯片U2 MDC管脚上的感应电压 19 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- E-field0.5GHz 20 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- H-field0.5GHz 21 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 瞬态E-field 分布 22 算例31 ：
9、电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 瞬态H-field 分布 23 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 故障定位 此以太网络交换机上使用的数据交换芯片为低功耗芯片， 芯片工作状态转换电压为2.5V ，从仿真结果可以看出， LINK1 和SPEED1 管脚上的感应电压达到了4V 以上，LINK1 和SPEED1 管脚与MDC 管脚距离很近，使MDC 管脚上的感应 电压超过了2.5V 。 LINK1 和SPEED1 管脚与网口信号灯相连，其上的电压并不 足以引
10、起数据交换芯片工作状态的转换；但芯片MDC 管脚 为芯片数据管理时钟，时钟信号一旦受到干扰，将导致芯 片时序混乱，设备工作出现异常，故将故障位置定位为数 据转换芯片的LINK1 、SPEED1 和MDC 管脚。需要在这3 个管 脚上采取静电防护措施，如在管脚上并联TVS 管。 24 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 4 采取防静电措施 25 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 导入SPICE 模型 并搭建电路 26 算例31 ：电子设备ESD
11、 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 结果查看 增加TVS 管之后LINK1 管脚两端的电压： 27 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 结果查看 增加TVS 管之后SPEED1 管脚两端的电压： 28 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 结果查看 增加TVS 管之后MDC 管脚两端的电压： 29 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | inf
12、ocst- 5 结果比较 比较MDC 、LINK1 和SPEED1 三个管脚在有无TVS 管的情况下的瞬态电压 30 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- LINK1 管脚 31 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- SPEED1管脚 32 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- MDC管脚 33 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.
13、cst- | infocst- 6 总结 34 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 6.1 仿真总结 使用CST微波工作室时域求解器可以对全三维结构加印制 板进行真实ESD 放电试验，在仿真模型中构建真实放电回 路，一次仿真即可得出任意一个器件管脚上的瞬态冲击电 压和电流及其噪声频谱。 在CST 微波工作室中需要设置较小的网格来分辨只有 0.25mm 线宽的微带线，导致网格数量达到1 亿，但时域求 解器支持的GPU 卡加速功能，能够极大的提高仿真速度， 整个仿真仅需11 小时即可完成。 35 算例31 ：电子设备ESD
14、 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 6.2 故障定位总结 通过CST微波工作室的仿真，我们可以将故障定位在数据 转换芯片的MDC 管脚上，此管脚位于与网络交换机输入端 口信号灯相连的LINK1 、SPEED1 管脚附近，当静电放电发 生时，此管脚上的瞬态电压超过了芯片的临界触发翻转电 平，导致时序混乱，造成了数据转换芯片工作状态转换， 并导致以太网络交换机的工作发生异常；发现故障位置之 后，我们需要在容易受到干扰的管脚上并联TVS 管，使用 CST 设计工作室可以得到了增加TVS 管之后，LINK1 、 SPEED1 和MDC 管脚上的感应电压
15、均小于0.3V （如果采用性 能更加优良的TVS 管，将会得到更小的感应电压），验证 了所采取的措施是切实、有效的，达到了排除故障的目的 。 36 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- 6.3 预防措施 为了达到防护目的，建议在芯片的特殊功能管脚（如使能 管脚）处并联相应的TVS 管，以防静电放电对数据交换芯 片的其他管脚有所冲击，导致以太网络交换机工作异常。 本算例是以以太网络交换机为例进行ESD 试验的仿真，此 种仿真方法可以推广到任意电子设备的ESD 试验或抗扰度 评估，在电子样机阶段将潜在隐患降到最低。 37 算例31 ：电子设备ESD 抗扰度仿真 CST China Ltd | www.cst- | infocst- CST China Ltd | www.cst- | infocst- 上 海 市黄浦 区复兴 东路733 号香港名都1201 室|邮编200010|电话021-50802328|传真021-50802326 北 京 市海淀 区彩和 坊路8 号天 创科技 大厦707C-D 室| 邮编100080|电话010-82483820|传真010-82483822
